任务3-1水准仪操作及使用学习指导.

1、任务3-1 水准仪认识及使用学习指南概述授课教师课程名称高速铁路施工测量学习单元项目3:高程测量任务3-1 水准仪操作及使用学时讲课+实作（课内2h+课外6h）学习目标通过课堂教学、录像演示使学生掌握水准仪的构造，熟悉水准仪使用的方法及注意事项。电子水准仪有光学水准仪和电子水准仪，本任务主要学习光学水准仪构造及操作、主要内容描述水准仪构造及操作。教学参考资料任务3-1学习指导; 电子水准仪说明书工程测量概论西安地图出版社李孟山主编;测量基础中国铁道出版社张晓雅李笑娜主编工程测量规范；铁路工程测量规范TB 10101-2009 J961-2009中国铁道出版社出版。能熟练操作水准仪;教师具备的能

2、力熟悉水准仪的构造和原理熟悉水准仪使用的注意事项;1、教学条件要求项目保障条件多媒体教室;任务3-1 PPT ;高速铁路测量规范2、实训条件DS3水准仪12台;电子水准仪4台1.学习重点:光学水准仪构造;视差的原因与消除;水准仪的粗平与精平;学习重点与难点电子水准仪的构造。2.学习难点:视差的原因与消除;水准仪的粗平与精平。教学方法建议头脑风暴法、讨论法、任务驱动教学法1.结合班级学生学习状况，划分任务学1.组长召集小组成员，布置小组分工;构思（课内2h,课外3h）习小组（建议6人一组），设组长一名;2.首先结合教学录像，让学生认识水准仪并学会使用水准仪进行观测 （课外1h）；3.结合本节任务

3、给学生下发知识关键点,使学生通过网络、讲义、案例、讨论对关键知识点初步了解（课外2h）;4.每个小组简要汇报对知识点了解情况2.课前以小组为单位，通过网络、讲义、规范、案例、思考、讨论、督促、预习如下内容:DS3水准仪的构成及使用;电子水准仪的构成及使用;3.小组组长汇报对知识关键点学习情况;4.结合水准仪认识实习任务，通过教师讲解、设计一实施（课外2h)（课内：15m）;答疑、讨论达到如下要求:5 .结合小组汇报情况以及施工企业测设懂得水准仪高程测量原理;圆曲线加缓和曲线作业方法,主要讲解如水准测量的仪器与工具;下知识点:会使用水准仪。水准测量的原理；（课内水准测量的仪器及与工具;5m)（课

4、内5m）；DS3微倾式水准仪的构造及使用；（课内60m)四、电子水准仪；（课内10m）学生思考、讨论提出问题并讲解（课内10m)8.通过提问、测验评价学生学习效果15m)。1.在校内实训场开展水准仪认识与操作实习;2.解决学生实习中遇到的问题;（课内1.以小组为单位，在老师的指导下，学习水准仪操作及使用2.结合学习视频等材料实施完成以下任务熟悉水准仪的构成及各部分功能能够熟练操作水准仪运作（课内0.5h,课外1h）学生需提交的资料： 水准仪认识报告 水准仪项目实施报告1以小组为单位编写测量实习报告；2. 小组根据水准仪熟练程度自查；3. 小组间互查打分，并写出实施报告。考核标准成果评定：根据学

5、生水准仪操作熟练程度评定成绩，占50%。学生自评：学生根据自己在项目实施过程中的作用及表现进行自评，占10%。小组互评：根据工作表现，发挥的作用，协作精神等小组成员互评，占15%。教师评价：根据考勤、学习态度、吃苦精神、协作精神，职业道德等进行评定；根据项目实施过程每个环节及结果经进行评定；根据实习报告质量进行评定；综合以上评价，占25%。作业1.水准仪项目实施报告。任务书工作任务3-1水准仪认识及使用任务 已有 资料1、水准仪构造及使用视频及动画2、校内实训场水准测量地面点位任务要求6人一组，每组每位组员能给熟练使用水准仪水准仪操作程序符合规范 水准仪精确整平(圆水准气泡居中、管水准气泡居中

6、)技术要求读数前消除视差影响 水准仪安置时间控制在 3m内1. 水准仪认识2. 安置水准仪(1)仪器安置(2)粗平基本工作步骤(3)精平瞄准目标(5)读数,仪器与工具投影仪、微机、水准仪、水准尺、尺垫、铅笔、记录纸、图夹(板)、计算器等若干。水准仪操作过程测量结果检核水准仪整平情况读数前消除视差影响、读数正确水准仪安置时间控制在 3m内成果评学生自根据学生水准仪操作熟练程度评定成绩，占50%。学生根据自己在项目实施过程中的作用及表现进行自评,得分得分考核评价占 10%。小组互根据工作表现，发挥的作用，协作精神等小组成员互评,占 15%。得分根据考勤、学习态度、吃苦精神、协作精神，职业道德等得分

7、教师评进行评定；价根据项目实施过程每个环节及结果经进行评定；根据实习报告质量进行评定；综合以上评价，占25%。成绩教师签名、主要内容2.1 概述2.1.1高程测量的方法高程是确定地面点位置的基本要素之一，所以高程测量是测量的基本工作之一。测量地面上各点高程的工作， 称为高程测量。高程测量的目的是获得未知点的高程,般是通过测出已知点和未知点之间的高差，再根据已知点的高程推算出未知点的高程。进行高程测量的主要方法有 水准测量 和三角高程测量。水准测量是利用水平视线来测量两点间的高差。由于此方法施测简单，且精度较高，所以是高程测量中最主要的方法,被广泛应用于高程控制测量、 工程勘测和各项施工测量中。

8、三角高程测量是测量两点间的水平距离或斜距和竖直角（即倾斜角），然后利用三角公式计算出两点间的高差。三角高程测量一般精度较低，但工作速度较快，大多用在丘陵地带或山区的高程控制测量或地形点的高程测量。除了上述两种方法外， 还有利用大气压力的变化，测量高差的气压高程测量； 利用液体的物理性质测量高差的液体静力高程测量；利用摄影测量的测高;GPS测高等方法。2.1.2水准点及其等级高程测量也是按照“从整体到局部”的原则来进行。就是先在测区内设立一些高程控制点，并精确测出它们的高程， 然后根据这些高程控制点测量附近其他点的高程。这些高程控制点称水准点，工程上常用 BM来标记、水准点一般用混凝土标石制成，

9、顶部嵌有金属或瓷质的标志（图2-1a）。标石应埋在地下，埋设地点应选在地质稳定、便于使用和便于保存的地方。在城镇居民区，也可以采用把金属标志嵌在墙上的“墙脚水准点”（图2-1a）。临时性的水准点则可用更简便的方法来设立，例如用刻凿在岩石上的或用油漆标记在建筑物上的简易标志。0. 20. 50.4单他mIp 4410. 7(a)0. a1.2图2-1JO'in zO,-Jo-g)卩4. 单f立J dm(b)2.2水准测量的原理水准测量的实质是测量两点之间的高差, 它是利用水准仪所提供的一条水平视线来实现的。如图2-2，为了求出 A、B两点的高差hAB，在A、B两个点上竖立带有分划的标尺一

10、水准仪。当视线水平时,水准尺，在A、B两点之间安置可提供水平视线的仪器B两个点的标尺上分别读得读数a和b,则A、B两点的高差等于两个标尺读数之差。(2-1)hAB = a b如果A为已知高程的点，B为待求高程的点，贝y B点的高程为:(2-2)图2-2水准测量的原理如果水准测量是从 A到B进行的，如图2-2中的箭头所示，读数a是在已知高程点上的水准尺读数，称为“后视读数” ；b是在待求高程点上的水准尺读数，称为“前视读数”。高差必须是后视读数减去前视读数。咼差hAB的值可能是正，也可能是负，正值表示待求点B高于已知点A，负值表示待求点 B低于已知点 A。此外，高差的正负号又与测量进行的方向有关

11、，例如图2-2中测量由A向B进行，高差用hAB表示，其值为正；反之由行，则高差用hBA表示，其值为负。所以说明高差时必须标明高差的正负号，同时要说明测量进行的方向。在工程测量中还有一种应用较广泛的计算方法，即由视线高程计算B点的高程。由图2-2可知，A点的高程加上后视读数 a等于水准仪的视线高程,简称视线高，一般用Hi表示视线高。Hj =H A +a(2-3)则B点的高等于仪器的视线高 Hi减去B尺的读数b,即为：Hb =比-b =（Ha +a）-b(2-4)式（2-2）是直接用高差计算B点的高程，称为高差法;2-4）是利用水准仪的视线计算B点的高程，称为仪器高法。当两点相距较远或高差太大时,

12、则可分段连续进行，从图h,=印 一 b,0 =_b22-3中可得:图2-3水准测量的测段即两点的高差等于连续各段高差的代数和，也等于后视读数之和减去前视读数之和。通常要同时用2 h和E a-2 b )进行计算，用来检核计算是否有误。图2-3中置仪器的点I、n、称为测站。立标尺的点1、2、称为 转点，它们在前一测站先作为待求高程的点， 然后在下一测站再作为已知高程的点，转点起传递高程的作用。转点非常重要，转点上产生的任何差错，都会影响到以后所有点的高程。求出两点的高差。从以上可见：水准测量的基本原理是利用水平视线来比较两点的高低,2.3水准测量的仪器及其使用2.3.1水准测量的仪器及工具水准测量

13、所使用的仪器称为水准仪，通过调整水准管使管水准气泡居中来获得水平视线的水准仪称为“微倾式水准仪”；通过补偿器来获得水平视线的水准仪为“自动安平水准仪”；配合条纹编码尺，利用数字化图像处理的方法，能够自动显示高程和距离，实现水准测量自 动化的水准仪称为“电子水准仪”。另外水准测量的工具还有水准尺和尺垫。我国的水准仪按精度分为 DSo5、DS1、DS3和DS10等几种型号。D、S是“大地测量”、“水准仪”的第一个字母，均取大和水两个字汉语拼音的首字母。角码的数字表示仪器的精度。其中DS05和DSi用于精密水准测量,DS3和DSi0则用于普通水准测量。本章重点介绍DS31.DS3型水准仪的构造图2-

14、4为在一般水准测量中使用较广的DS3型微倾式水准仪，它主要由望远镜、 水准器和基座组成。157115 .二1£吕丁-6边亠13791014图2-4 DS3型水准仪1-物镜；2-物镜对光螺旋；3-水平微动螺旋；4-水平制动螺旋；5-微倾螺旋;6-脚螺旋；7-符合气泡观察镜；8-水准管；9-圆水准器；10-圆水准器校正螺丝;11-目镜调焦螺旋；12-准星;13-缺口； 14-轴座(1) 望远镜要求望远镜能看清水准望远镜的作用是照准远处竖立的水准尺并读取水准尺上的读数,像望远镜和倒像望远镜。图2-5是倒像望远镜的结构图，它由物镜、调焦透镜、十字丝分划 板和目镜组成。望远镜的成像原理如图2-

15、6所示，目标AB经过物镜和物镜调焦透镜的作用，在镜筒内 构成倒立的小实像 ab,转动物镜调焦螺旋，调焦透镜随着前后移动，使不同距离的目标清a之比，称为晰的成像在十字丝分化板上，在经过目镜方法，使倒立的小实像放大成倒立的大虚像通过目镜看到的目标影像的视角3与未通过望远镜直接观察该目标的视角28倍。望远镜的放大率 V，即V= 3 /a。DS3水准仪望远镜放大率一般为、3C(a)4 +字:竖丝一违(b)视距维图2-5望远镜构造1-物镜；2 -目镜；3-对光透镜；4-十字丝分化板；5-物镜对光螺旋；6-目镜调焦螺旋测量仪器上的望远镜有一个十字丝分划板，它是刻在玻璃片上的一组十字丝，被安装在望远镜筒内靠

16、近目镜的一端。水准仪上十字丝的图形如图2-5 (b)所示，十字丝分划板上刻有两条互相垂直的长线，竖直的一条称为竖丝，横的一条称为中丝或横丝(有的仪器十字丝横丝为楔形丝)，是为了瞄准目标和读取读数用的。在中丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线，是用来测定距离的，称为视距丝。调节目镜调焦螺旋，使分化板成像清晰。十字丝交点和物镜光心的连线称为视准轴，也就是视线，它是瞄准目标和读数的依据。视准轴是水准仪的主要轴线之一。图2-6望远镜成像原理1物镜；2 对光透镜；3目镜；4十字丝平面(2) 水准器水准器是用以置平仪器的一种设备,、 I- I , I I fI1- -E- - T I是测量仪器上的重

17、要部件。水准器分为管 水准器和圆水准器两种:1)管水准器 又称水准管，是一个封闭的玻璃管，管的内壁在纵向磨成圆弧形，其半径约为80m至200m。管内盛酒精或乙醚或两者混合的液体，并留有一气泡（图2-7）。管面上刻有间隔为 2mm的分划线，分划的中点称水准管的零点。过零点与管内壁在纵向相切的直线称水准管轴（LL ）。当气泡的中心点与零 点重合时，称气泡居中，气泡居中时水准管轴位于水平位置。水准管上一格（2mm）所对应的圆心角称为水准管的分划值，一般用 T表示。根据几何关(图 2-7)。系可以看出，分划值也是气泡移动一格水准管轴所变动的角值(2-6)式中：T 水准管分化值R水准管圆弧半径P弧度的秒

18、数,P =206265''水准仪上水准管的分划值为1020，水准管的分划值愈小，视线置平的精度愈高。但水准管的置平精度还与水准管的研磨质量、液体的性质和气泡的长度有关。在这些因素的综合影响下，使气泡移动0.1格时水准管轴所变动的角值称水准管的灵敏度。能够被气泡的 移动反映出水准管轴变动的角值愈小，水准管的灵敏度就愈高。（图2-8），使两端各有半个为了提高气泡居中的精度，在水准管的上面安装一套棱镜组气泡的像被反射到一起。如图2-9所示，当气泡两端的影像合成一个光滑的圆弧，表示气泡 居中，若两端影响错开，则表示气泡不居中， 可转动微倾螺旋使气泡影响吻合。这种水准器称为符合水准器，是

19、微倾式水准仪上普遍采用的水准器。气泡不居中图2-8气泡居中图2-92）圆水准器是一个封闭的圆形玻璃容器,顶盖的内表今面为一球面，容器内盛乙醚类液体，留有一小圆气泡2-10）。容器顶盖中央刻有一小圈，小圈的中心是圆水准器的零点。通过零点的球面法线是圆水准器的轴（L'L'）,当圆水准器的气泡居中时， 圆水准器的轴位于铅垂位置。圆水准器图2-10圆水准器的分划值，是顶盖球面上2mm弧长所对应的圆心角值，水准仪上圆水准器的角值为8'至15。由于它的精度较低，故只用于仪器的粗略整平。用于置平仪器，它支撑仪器的上部使其在水平方向上转动，并通过连接螺旋与三脚架连接。基座主要由轴座、脚

20、螺旋、三角压板和底板构成。调节三个脚螺旋可使圆水准器的气泡居中，使仪器粗略整平。2.水准尺水准尺用优质木材或铝合金制成，长度从3m5m不等。水准尺分为直尺、塔尺和折尺（图2-11），其中直尺又分单面分划和双面分划两 种。塔尺和折尺常用于图根水准测量，尺面上的最小分划为1cm或0.5cm,以黑白相间的分格表示，在每1米和每1分米处均有注记，为了便于倒像望远镜读数，注的数字常倒写，尺底为零。双面水准尺是一面为黑色另一面为红色的分划，每两根为一对。两根的黑面都以尺底为零，而红面的尺底分别为4.687m和4.787m。利用双面尺可对读数进行检核。3尺垫它是用于转点上的一种工具，用钢板或铸铁制成（见图2

21、-12）。使用时把三个尖脚踩入土中，把水准尺立在突出的圆顶上。尺垫可使转点稳固防止下沉。2.3.2 DS3微倾式水准仪的使用微倾式水准仪的使用包括安置仪器、粗略整图2-12尺垫平、瞄准水准尺、精平与读数等操作步骤:1安置水准仪首先打开三脚架，安置三脚架要求高度适当、架头大致水平并牢固稳妥,在山坡上应使三脚架的两脚在坡下、 一脚在坡上。然后把水准仪用中心连接螺旋连接到三脚架上,取水准仪时必须握住仪器的坚固部位，并确认已牢固地连结在三脚架上之后才可放手。2.仪器的粗略整平仪器的粗略整平是用脚螺旋使圆水准器的气泡居中。不论圆水准器在任何位置,先用任如图2-13意两个脚螺旋使气泡移到通过圆水准器零点并

22、垂直于这两个脚螺旋连线的方向上, 中气泡自a移到b如此可使仪器在这两个脚螺旋连线的方向处于水平位置。然后单独用第从而使整个三个脚螺旋使气泡居中，如此使原两个脚螺旋连线的垂线方向亦处于水平位置, 仪器置平。如仍有偏差可重复进行。操作时必须记住以下三条要领:(1)先旋转两个脚螺旋，然后旋转第三个脚螺旋;(2)旋转两个脚螺旋时必须作相对地转动，即旋转方向应相反;(3) 气泡移动的方向始终和左手大拇指移动的方向一致。右手食指图 2-13綽-A -十用望远镜照准目标，必须先调节目镜使十字丝清晰。然后利用望远镜上的准星从外部瞄准水准尺，再旋转调焦螺旋使尺像清晰， 也就是使尺像落到十字丝平面上。这两步不可颠

23、倒。最后用微动螺旋使十字丝竖丝照准水准尺(如图2-14)，为了便于读数，也可使尺像稍偏离竖丝一些。当照准不同距离处的水准尺时,需重新调节调焦螺旋才能使尺像清晰，但十字丝可不必再调。a(b)图 2-15b照准目标时必须要消除视差。当观测时把眼睛稍作上下移动，如果尺像与十字丝有相对(图 2-15a)。的移动，即读数有改变，则表示有视差存在。其原因是尺像没有落在十字丝平面上存在视差时不可能得出准确的读数。消除视差的方法是一面稍旋转调焦螺旋一面仔细观（图 2-15b）。察，直到不再出现尺像和十字丝有相对移动为止，即尺像与十字丝在同一平面上4.精确整平由于圆水准器的灵敏度较低，所以用圆水准器只能使水准仪

24、粗略地整平。因此在每次读数前还必须用微倾螺旋使水准管气泡符合,使视线精确整平。由于微倾螺旋旋转时，经常在改变望远镜和竖轴的关系，当望远镜由一个方向转变到另一个方向时，水准管气泡一般不再符合。所以望远镜每次变动方向后（每次读数前），都需要用微倾螺旋重新使气泡符合。微倾螺旋的转动方向与左侧半气泡影像的移动方向一致，如图2-16所示5.读数图 2-16用十字丝中间的横丝读取水准尺的读数。从尺上可直接读出米、 分米和厘米数，并估读出毫米数，所以每个读数必须有四位数。如果某一位数是零，也必须读出并记录。不可省略,如图2-14。读数前应先认清水准尺的分划特点，特别应注意与注字相对应的分米分划线的位置。为了

25、保证得出正确的水平视线读数，在读数前和读数后都应该检查气泡是否符合。233自动安平水准仪的构造和使用自动安平水准仪是一种不用水准管而能自动获得水平视线的水准仪,因此自动安平水准仪的结构特点是没有管水准器和微倾螺旋（图2-17）。由于水准管水准仪在用微倾螺旋使气泡符合时要花一定的时间， 水准管灵敏度愈高，整平需要的时间愈长。 在松软的土地上安置水准仪时，还要随时注意气泡有无变动。而自动安平水准仪在用圆水准器使仪器粗略整平后,经过12S即可直接读取水平视线读数。当仪器有微小的倾斜变化时，补偿器能随时调整,始终给出正确的水平视线读数。因此它具有观测速度快、精度高的优点，被广泛地应用在各种等级的水准测

26、量中。国产自动安平水准仪的型号是在DS后加字母Z,即为：DSZ05、DSZ1、DSZ3、DSZ10,其中Z代表自动安平”汉语拼音的第一个字母。86-7345129101-物镜；2物镜对光螺旋；3粗瞄器；4目镜调焦螺旋；5目镜；6圆水准器；7圆水准器校正螺钉；8圆水准器反光镜；9水平制动；10水平微动螺旋；11 脚螺旋图 2-171. 自动安平原理自动安平水准仪的自动安平原理是在水准仪的光学系统中，设置一个自动安平补偿器, 用于改变光路，使视准轴略有倾斜时，视线仍能保持水平，以达到水准测量的要求。如图2-18 （a）所示，当视准轴线水平时，物镜位于 0,十字丝交点位于 AO，读到的水平视线读数为

27、a。当望远镜视准轴倾斜了一个小角a时，十字丝交点由 Ao移到A，读数变为a。显然，AA0 = fa （f为物镜的等效焦距）。若在距十字丝分划板 s处，安装一个光学补偿器 K，使水平光线偏转 P角，以通过十字 丝中心A，则有AA。=sP。故有(2-7)10 ），但十若上式的条件能得到保证，虽然视准轴有微小倾斜（一般倾斜角限值为±字丝中心A仍能读出视线水平时的读数a。,从而达到自动补偿的目的。还有另一种补偿器如图2-18（b），借助补偿器K将A移至AO处，这时视准轴所截取尺上的读数仍为a。这种补偿器是将十字丝分划板悬吊起来，借助重力，在仪器微倾的情况下，十字丝分划板回到原来的位置，安平的

28、条件仍为（2-7）式。2.补偿器的构造和补偿原自动安平补偿器的种类很多，但一般都是采用吊挂补偿装置，借助重力进行自动补偿，达到视线自动安平的目的。图2-19是DSZ 3自动安平水准仪的内部光路结构示意图。它是在对光透镜和十字丝分划板之间安设补偿器，该补偿器是把屋脊棱镜固定在望远镜筒内,在屋脊棱镜的下方，用交叉的金属片吊挂着两个直角棱镜，它在重力为g的物体作用下,与望远镜作相对的偏转， 为使吊挂的棱镜尽快停止摆动处于静止状态，还设有阻尼器。当视准轴水平时，它的光路见图2-19。水平光线进入物镜后经第一个直角棱镜反射屋脊棱镜，在屋脊棱镜内作三次反射到达另一个直角棱镜，又被反射一次最后通过十字丝的交点。若视准轴倾斜。我们将光路的变化分作下述两种情况介绍：第一种，如图2-20表示的是视准轴已经倾斜而直角棱镜也随着倾斜，即“补偿器”没有发生作用的光路。当望远镜倾斜微小的a角时，如果两个直角棱镜随着望远镜一起倾斜了一个a角，则原来的水平光线（图2-10实线）经两个直角棱镜反射后，并不经过十字丝中心Z，而是通过A点，所以无法读得视线水平时的读数 ao。此时，十字丝中心 Z通过倾斜棱镜的反射，在尺上